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以太網(wǎng)交換機中生成樹協(xié)議的實現(xiàn)

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　摘要：生成樹算法和協(xié)議是自動生成網(wǎng)絡拓撲結構的基礎 。本文闡述了生成樹算法和協(xié)議的內(nèi)容，并給出了在以太網(wǎng)交換機中的具體實現(xiàn)過程 。我們通過實踐證實，該方尖對于解析最優(yōu)網(wǎng)絡拓撲結構效果良好 。
要害詞：以太網(wǎng)交換機　網(wǎng)橋　拓撲結構　生成樹　BPDU
以太網(wǎng)交換機在第二層即MAC層必須具有路由功能 。目前普遍使用的MAC層路由方式是IEEE802.1組織發(fā)布的標準：基于生成樹算法的路由 。在局域網(wǎng)內(nèi)的交換機執(zhí)行了生成樹算法以后，會組成一個生成樹動態(tài)拓撲結構，該拓撲結構使局域網(wǎng)內(nèi)任意兩個工作站之間不存在回路，以防止由此產(chǎn)生的局域網(wǎng)廣播風暴，同時，生成樹算法還負責監(jiān)測物理拓撲結構的變化，并能在拓撲結構發(fā)生變化之后建立新的生成樹 。例如當一個交換機壞了或某一條數(shù)據(jù)通咱斷了后，能提供一定的容錯能力而重新配置生成樹的拓撲結構 。交換機根據(jù)生成樹動態(tài)拓撲結構的狀態(tài)信息來維護和更新MAC路由表，最終實現(xiàn)MAC層的路由 。
一、以太網(wǎng)交換機在MAC層體系結構
以太網(wǎng)交換機在MAC層的功能主要是實現(xiàn)LAN的互連 。根據(jù)IEEE802.1D協(xié)議的規(guī)定，在MAC層工作的體系結構必須包含以下內(nèi)容：（1）一個用于連接交換機端口的MAC轉發(fā)實體；（2）至少兩個端口；（3）高層協(xié)議實體，其中包括交換機協(xié)議實體 。如圖1所示 。
MAC轉發(fā)實體主要實現(xiàn)交換機不同端口間的內(nèi)部通信 。該實體存儲各個端口的工作狀態(tài)并維護一個過濾數(shù)據(jù)庫 。數(shù)據(jù)庫中存放了一張MAC地址表，用以實現(xiàn)MAC層的路由 。當數(shù)據(jù)幀從一個端口的底層服務進程傳上來時，MAC實體首先判定目的端口的工作狀態(tài)，假如目的端口沒有被阻塞，MAC轉發(fā)實體將依據(jù)MAC地址表的對應關系將該幀從目的端口轉發(fā)出去 。同時MAC轉發(fā)實體還可以進行過濾、記錄MAC地址等操作 。
交換機端口的功能是從與其相連的LAN上接收或傳送數(shù)據(jù) 。端口的狀態(tài)由生成樹算法規(guī)定，包括轉發(fā)、學習、監(jiān)聽、阻塞和禁止狀態(tài) 。
高層協(xié)議實體位于LLC層，主要用于計算和配置LAN的拓撲結構 。下面介紹的生成樹協(xié)議算法就是運行在該協(xié)議實體內(nèi)，用來實現(xiàn)MAC層的路由 。在運行生成樹算法時，高層協(xié)議實體可以直接調(diào)用MAC轉發(fā)實體提供的服務，并能讀取或更改MAC實體數(shù)據(jù)庫中維護的信息，如從MAC實體中讀取或更改某端口的狀態(tài)信息等 。
在運行生成樹算法時，交換機的高層協(xié)議實體將使用一個統(tǒng)一的組地址01-80-C2-00-00-00作為目的MAC地址，該數(shù)據(jù)被稱為BPDU（橋協(xié)議數(shù)據(jù)單元） 。BPDU中攜帶了實現(xiàn)生成樹算法的有關信息 。在實現(xiàn)生成樹算法時，從端口接收上來BPDU，由LLC層的服務進程將其傳給交換機協(xié)議實體 。在執(zhí)行了生成樹算法以后，交換機的協(xié)議實體將根據(jù)算法的結果更新端口的狀態(tài)信息并更新過濾數(shù)據(jù)庫，以決定交換機端口的工作狀態(tài)（阻塞或轉發(fā)等），從而建立生成樹拓撲結構 。
二、生成樹協(xié)議
1、生成樹協(xié)議介紹
生成樹協(xié)議基于以下幾點：（1）有一個唯一的組地址（01-80-C2-00-00-00）標識一個特定LAN上的所有的交換機 。這個組地址能被所有的交換機識別；（2）每個交換機有一個唯一的標識（Brideg Identifier）；（3）每個交換機的端口有一個唯一的端口標識（Port Identifier） 。對生成樹的配置進行治理還需要：對每個交換機調(diào)協(xié)一個相對的優(yōu)先級；對每個交換機的每個端口調(diào)協(xié)一個相對的優(yōu)先級；對每個端口調(diào)協(xié)一個路徑花費 。
具有最高優(yōu)先級的交換機被稱為根（root）交換機 。每個交換機端口都有一個根路徑花費，根路徑花費是該交換機到根交換機所經(jīng)過的各個跳段的路徑花費的總和 。一個交換機中根路徑花費的值為最低的端口稱為根端口，若有多個端口具有相同的根路徑花費，則具有最高優(yōu)先級的端口為根端口 。

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